納米纖維素在食品領域的研究進展

摘 要：納米纖維素具有的高比表面積、優異的機械強度、良好的界面穩定性及表面化學多功能性，使其在食品領域的應用成為研究熱點。本文圍繞納米纖維素在食品領域的應用進行概述，介紹了納米纖維素的物理法、化學法、生物法等制備方法；論述了納米纖維素在乳液穩定劑、食品添加劑、食品包裝、食品安全傳感，以及功能性食品成分中的應用進展；并對納米纖維素在食品領域中的應用進行總結和展望，以期為納米纖維素的功能化利用發展提供借鑒。

關鍵詞：納米纖維素；食品；制備方法

中圖分類號：TS72 文獻標識碼：A DOI：10. 11981/j. issn. 1000?6842. 2025. 02. 48

開發可食用和可生物降解的納米材料是當前食品科學技術的迫切需要。納米材料在食品生產、加工和包裝中的廣泛應用，促進了食品納米技術的飛速發展［1］。近年來，隨著化石能源的消耗及人們對環境污染問題的日益關注，可再生生物質資源的高值化利用和轉化已成為學者們持續關注的熱點［2］。纖維素是一種由重復的葡萄糖單元通過β-1，4-D-糖苷鍵組成的線性多糖高分子材料［3］。納米纖維素是通過“自上而下”或“自下而上”的方法，從可再生資源中獲得的一類納米材料［4］。根據制備技術和形貌結構，納米纖維素通?？杀环譃?種類型：纖維素納米晶體（cellu?lose nanocrystals，CNC），通常由酸水解制得；纖維素納米纖絲 （cellulose nanofibrils，CNF），通常由高壓均質等機械法制得；細菌纖維素 （bacterial cellulose，BC），由醋酸桿菌等微生物發酵制得［5-6］。納米纖維素表現出比常規微米級纖維素更優異的理化性質，包括納米級效應、高比表面積、高結晶度、兩親性、表面化學反應性、阻隔性、高機械強度等，這些特性促進了其在食品領域的應用，使其能夠在食品健康領域發揮獨特優勢［7］。不同層級纖維素及不同種類納米纖維素示意圖如圖1所示。

近年來，納米纖維素已被廣泛研究開發并應用于食品領域，如直接作為乳液穩定劑用于制備Pickering乳液；作為食品添加劑以提高食品的風味和保質期；作為食品包裝材料的功能助劑，包括用作食品包裝中的水蒸氣阻隔改進劑、活性包裝中的抗氧化劑、抗菌劑和抗真菌化合物的載體等；作為食品傳感的檢測基質，以檢測有毒物質來預防食品污染問題；作為功能性成分添加到食品中，賦予食品促進健康和抵御疾病的功能。本文從納米纖維素的制備方法入手，對已報道的納米纖維素在食品領域中的應用進展進行分類論述，并對其應用前景進行總結和展望，以期為納米纖維素在食品領域中的實際應用提供借鑒。

1 納米纖維素的制備方法及性能

1. 1 物理法

1. 1. 1 高壓均質法

高壓均質技術 （HPH） 最早在 1983 年就有研究報道［9］。高壓均質法是一種高效的納米纖維素制備技術，通過均質機產生的瞬間高壓和剪切力，可以將纖維素細化成納米級別的纖維。Yao 等［10］ 以商業微晶纖 維 素 （MCC） 為 原 料，通 過 高 壓 均 質 制 備 得 到CNF，其制備流程如圖2（a）所示。研究發現，隨著均質壓力和循環次數的增加，CNF的直徑減小。在均質壓力100 MPa、循環15次時，制得CNF的各項性能最佳，長徑比87.8，Zeta電位-23.9 mV。

1. 1. 2 機械研磨法

機械研磨法可通過球磨和超細磨的砂輪旋轉產生高強度的剪切力，破壞纖維的胞壁結構和氫鍵連接，分離單根纖維，從而達到纖化的目的［11］。如圖2（b）所示，Zeng等［12］ 對漂白硫酸鹽針葉木漿 （BSKP） 分別進行酶預處理-高效濕球磨和機械研磨，獲得 CNF-B和CNF-G。研究發現，隨著球磨時間的增加和研磨次數的增加，CNF的直徑變小，聚合度和結晶度也降低。

1. 1. 3 超聲法

超聲技術一種利用超聲波能量對材料進行處理的方法。超聲波能夠激發液體分子震動，形成許多微小氣泡；氣泡在壓力的作用下進行周期性的膨脹和內爆，產生強烈的流體動力，從而有效地破壞纖維素微觀結構 （如氫鍵連接），實現纖維素的分離和纖化。在實際的工業應用中，超聲波處理常與化學預處理等方法結合使用，以優化纖維原料轉化為納米纖維素的過程［13］。Zhao 等［14］ 通過結合研磨和超聲波處理技術，成功從椰殼纖維中提取出直徑約100 nm、具有高長徑比的納米纖維素，這不僅提升了納米纖維素的細纖維化水平，還有助于開發具有更優性能的納米級產品。如圖2（c）所示，Li等［15］ 采用乙醇和過氧化物溶劑溶脹預處理結合超聲處理，從木粉中提取CNC，其寬度1～9 nm，長寬比10～150。

1. 2 化學法

1. 2. 1 酸水解法

酸水解法是目前制備納米纖維素最常見的方法之一，既可以直接使用不同種類、不同濃度的酸（如硫酸、鹽酸、磷酸、有機酸或多種酸結合等）對纖維素進行水解，也可以作為預處理手段并結合其他方法［16］，去除纖維素結構中松散的無定形區，制備得到納米纖維素。Qi等［17］ 通過調節硫酸水解條件，得到了不同形貌的 CNC （如尺寸分布不均勻的棒狀N-CNC及球形W-CNC），其水解過程中CNC形成機理如圖 2（d）所示，得到的 CNC 具有廣泛的粒徑分布（N-CNC 長 度（276.1±28.7）nm， 寬 度（4.1±0.6）nm）。Pawcenis等［18］ 以大麻和亞麻纖維制備的手工紙為原料，利用鹽酸水解制備CNF （如圖2（e）所示）。此研究中制備的CNF在水相中會很快沉降；然而，沉降后加入表面活性劑，再進行超聲處理，即得到可穩定6個月以上的CNF纖維懸浮液。Vanderfleet等［19］ 通過優化磷酸水解棉纖維制備了 CNC，其長度可以在238～475 nm內調節，通過提高水解溫度和酸濃度可以有效減小其多分散性。

1. 2. 2 TEMPO氧化法

TEMPO（2，2，6，6-四甲基哌啶氧化物）氧化法是一種工藝簡單、污染小、能耗低的納米纖維素制備方法。其制備原理是在堿性介質中，以TEMPO和NaBr作為催化劑，用NaClO或NaClO2 將纖維素C6上的伯醇羥基（—CH2OH）氧化為羧基（—COOH）；羧基的形成有助于破壞纖維素分子間的部分氫鍵，使纖維素結 構 變 得 更 加 松 散，最 后 通 過 高 壓 均 質 法 得 到CNF［20］。在氧化的過程，由于CNF表面帶有—COOH，有助于CNF懸浮液的分散穩定性。Jiang等［21］ 對原材料進行TEMPO介導氧化，獲得了富含—COOH的CNC。在處理過程中，木質纖維素的顯微結構如圖 3（a）所示，CNC總得率為63.2%～68.3%。

1. 2. 3 離子液體預處理法

離子液體 （IL） 預處理法是一種環境友好的納米纖維素制備技術。IL是一種由陰離子和陽離子組成的室溫液態有機鹽，熔點低于100 ℃［22］，且極性高、熱穩定性好、易回收［23］。Haron等［24］使用不同的IL作為反應介質，由 MCC 成功生產納米纖維素。Phanthong等［25］ 使用1-丁基-3-甲基氯化咪唑（BMIMCl）對纖維素粉末進行預處理，隨后進行球磨，成功制備了得率93.1%的納米纖維素，同時可回收90%以上的BMIMCl，并重復使用至少4次。

1. 2. 4 低共熔溶劑預處理法

低共熔溶劑（DES）是一類由氫鍵受體（HBA）和氫鍵供體（HBD）以特定比例簡單混合制備得到的新型溶劑，其特點是與原始組分相比，熔點顯著降低［26］。近年來，出現了一些利用低共熔溶劑預處理制備納米纖維素的方法。Xie等［27］ 基于氯化膽堿和醋酸鋅合成了中性DES，在微波輻射輔助下，對竹全纖維素進行超快處理，制備CNF （如圖3（b）所示）。Liu等［28］ 通過DES預處理棉纖維，隨后進行高強度超聲處理，獲得了直徑3～25 nm，長度100～350 nm的CNC。

1. 3 生物法

生物法是利用纖維素酶對纖維素進行催化水解，去除纖維素非結晶區，保留結構穩定性較高的結晶區，從而制備CNF的方法。生物法制備CNF純度高、條件溫和、專一性強、效率高。如圖3（c）所示，Xu等［29］利用木聚糖酶處理玉米芯，經過高壓均質處理，成功制備含木質素纖維素納米纖絲（LCNF）。Tao等［30］ 利用木聚糖酶對甘蔗渣漿進行預處理，隨后進行機械處理以制備CNF。在預處理的過程中，半纖維素水解為木糖后被去除，從而使后續制備的CNF表現出更強的熱穩定性和結晶度。

1. 4 其他方法

靜電紡絲技術通過精確控制溶液的黏度，在高壓設備、噴絲頭和接收裝置的協作下，可成功制備納米纖維素。Kulpinski等［31］ 采用云杉與NMMO混合溶解的方法，制備出一種透明且具有蜂蜜般黏度的紡絲溶液，進一步通過靜電紡絲工藝，生產納米纖維素。該技術能夠制造出具有多孔結構、較大比表面積和高孔隙度的納米纖維素。

Nelson等［32］報道了Heiningen教授和美國過程公司（American Process Inc.）開發的AVAP技術。首先采用SO2和 CH3CH2OH 對纖維素進行預處理，去除材料中的半纖維素、木質素及纖維素的非結晶區；隨后對預處理產物進行機械處理，從而得到納米級別的纖維素。

蒸汽爆破法是一種利用高壓蒸汽對纖維原料進行處理的方法。在高溫高壓的條件下，蒸汽攜帶的大量熱量滲透到纖維原料內部，在滲透的過程中，部分水分子與纖維素羥基結合形成新氫鍵，從而取代纖維素分子內原有的氫鍵結合結構。在隨后的瞬間減壓過程中，水分子會迅速膨脹，產生爆破效應，將纖維原料崩解為纖維狀的分散固體。在整個過程中，纖維素內部分糖苷鍵和氫鍵被破壞，原料中半纖維素和木質素被去除，纖維尺寸減小，從而獲得納米纖維素［33］。Khadraoui［34］ 等利用堿蒸汽爆破附加高壓均質處理，從麥草中獲得直徑10～50 nm的CNF（如圖3（d）所示）。表1總結了不同方法制備納米纖維素的特點。

2 納米纖維素在食品領域中的應用

2. 1 乳液穩定劑

乳液是由2種不混溶的液體組成的熱力學不穩定體系，在制備過程中，通常需添加表面活性劑以確保其中一種液體均勻分散在另一種液體中，從而維持乳液的穩定［2］。然而傳統的乳化劑，如表面活性劑，通常成本較高、不易回收，且制備的乳液穩定性較低。納米纖維素可以吸附于油/水界面，并形成固體顆粒單層/多層膜，從而在空間上阻隔乳液液滴間的碰撞聚集，實現穩定Pickering乳液的作用，同時也可作為機械屏障。近年來，納米纖維素穩定的Pickering乳液具有優異的生物相容性、可生物降解性、低（無）毒性，在食品領域有非常廣闊的應用前景［35］。

納米纖維素可以阻隔食品與外界腐敗菌的接觸，因此，納米纖維素穩定的Pickering乳液可以直接用于食品抑菌防腐。陳啟杰等［2］ 以淀粉 （CS） 為基質，采用CNC 乳化陳皮精油 （OPO） 制備CNC-OPO Pick?ering 乳液，并將其作為抗菌劑，輔以甘油作為增塑劑，采用流涎法制備CS/CNC-OPO疏水抗菌增強復合膜。結果顯示，復合膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌圈面積分別高達88.4、96.45 mm2。

納米纖維素穩定的Pickering乳液水和脂肪能力強且穩定性好，常被應用于低脂食品中替代脂肪，如在冰淇淋中代替奶油、在蛋糕中代替黃油［36］ 等。Wang等［37］利用CNF穩定棕櫚油制備Pickering乳液（CPOE）替代香腸中的脂肪。結果表明，用CPOE配制的產品具有更高的硬度、回彈性和咀嚼性。因此，將納米纖維素制備的乳液加入至食品中，不僅可以替代脂肪降低食品中脂肪含量，還可作為一種重要的膳食纖維來源，有助于改善腸道健康，提高營養價值，同時改善食品的口感和穩定性，優化食品整體品質。

Pickering乳液中的納米纖維素還可以降低油脂和水中促氧化因子接觸的幾率，降低油脂的氧化速率，從而減少油脂氧化對食品口味、外觀和穩定性帶來的不利影響。此外，由于Pickering乳液的特殊性，可以將納米纖維素穩定的乳液用于載送低水溶性和生物利用率的活性物質 （如姜黃素和β-胡蘿卜素等）。如圖 4（a）所示，Anirudhan 等［38］ 通過酸/堿處理將纖維素轉化為納米纖維素，經高碘酸氧化形成二醛基納米纖維素，然后與葉酸偶聯使其獲得靶向能力，從而可作為藥物載體，用于包封姜黃素。

2. 2 食品添加劑

納米纖維素具有獨特的流變特性和界面性質，使其在食品添加劑的研究開發中受到密切關注［35］。納米纖維素可作為食品添加劑，改善食品均勻性和食品穩定性，如面粉替代品、脂肪替代品、冷凍食品和飲料添加劑、增稠劑、懸浮劑、泡沫穩定劑、高溫穩定劑。

此外，納米纖維素具有較好的吸濕性和流變性能；將其應用于食品中，既能利用其納米材料尺度效應，又能發揮其獨特的生理特性。如圖 4（b）所示，Corral等［39］ 將木糖醋酸桿菌發酵制備的BC添加到小麥面包中；結果表明，BC的加入對面包品質有改善作用，不僅提高了面包的相對體積、發光度、孔隙度及保濕性，還降低了面包的褐變指數和面包屑的硬度，使面包變得更加松軟。

將適量的納米纖維素加入到冷凍食品中，可以提高冷凍食品的潤滑感，改善其在口中的融化性能。此外，納米纖維素可以減少在反復凍融的過程中大冰晶的形成，有助于保持食品的質地和口感；同時，還能維持在儲存和運輸過程中的穩定性，防止食品蛋白結構被破壞。如圖4（c）所示，在冰淇淋中添加BC/大豆分離蛋白 （SPI） 復合凝膠，可提高冰淇淋抗融性和穩定性，使其更細膩、冰晶更小，從而提高冰淇淋的品質［40］。

2. 3 食品包裝

食品包裝在食品供應鏈中起著至關重要的作用，作為水、氧氣、油脂和微生物的阻隔劑，食品包裝能防止食品在各方面變質［41］。隨著石油基包裝材料引發的環境和生態問題日益嚴重，人們逐漸將目光轉向利用自然資源制備功能性食品包裝材料［42］。納米纖維素具有優異的機械性能、無毒性、可再生性、可生物降解性，可直接用于制備納米纖維素基膜材料，并用作食品包裝。此外，納米纖維素是用于交聯或接枝的理想單體，常被用作食品包裝中的機械增強相，同時也可用作食品包裝中的水蒸氣阻隔改進劑、活性包裝中的抗氧化劑、抗菌劑和抗真菌化合物的載體等。

納米纖維素因其獨特的理化特性，在增強復合材料的氣體阻隔性能方面具有顯著優勢，其微觀結構展現了優異的氣體阻隔能力，有助于減少氧氣和水分的滲透，可以有效防止因氧化或脫水造成的食品變質。Liu等［43］制備了由CNC（添加量3.0%）穩定的熱固化Pickering乳化劑，其干燥后可形成均勻薄膜（如圖4（d）所示），填充紙張的孔隙，降低空氣滲透性，增強了水分子通過薄膜的扭曲度，提高了Pickering乳液涂層的水蒸氣阻隔性能。Li等［44］ 利用CNF/羧甲基殼聚糖復合物穩定的蜂蠟 Pickering 乳化劑，制備可食用油膜，制備流程如圖4（e）所示。結果表明，該油膜具有顯著的防潮性能；且隨著雜化顆粒含量的增加，油膜的水蒸氣滲透率降低，表面疏水性增強 （接觸角從113.1°增加到139.1°），再分散性提高。

具有抗菌作用的納米纖維素復合包裝材料是當前研究的熱點。特別是納米纖維素與天然抗菌物質復合制成的復合包裝材料，在食品工業中具有很大的應用潛力。Dehnad等［45］ 將納米纖維素-殼聚糖涂抹在肉制品表面，以表征納米纖維素-殼聚糖復合材料的抗菌效果。結果表明，與尼龍包裝樣品相比，納米纖維素-殼聚糖包裝樣品中的乳酸菌數量明顯減少。此外，納米纖維素-殼聚糖還能有效抑制革蘭氏陽性菌的生長和繁殖。

此外，納米纖維素本身具有一定紫外吸收能力，但通常需要添加一些富含紫外光吸收基團的物質，以增強其紫外屏蔽效果，從而保護食品免受紫外線引起的氧化和變質。Abdalkarim 等［46］ 將片狀 CNC-ZnO納米雜化物均勻摻入聚羥基丁酸酯-戊酸酯共聚物（PHBV） 納米纖維中，提高了PHBV的成核密度、整體結晶速率和結晶度；制得的 PHBV 復合納米纖維可有效阻擋紫外光 UVA 和 UVB，且透明度沒有下降（約 78.9%）。此外，PHBV 復合納米纖維對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌率均達100%。

2. 4 食品安全傳感

食品供應鏈是多步驟過程，許多污染物 （如農藥、毒素、抗生素等）會在不同階段被引入食品。如果在送至消費者之前未被檢測，將構成食品安全的重大風險［47］。表面增強拉曼散射 （SERS） 是當前最具前景的無損檢測技術，甚至可以實現單分子水平的痕量分析物測定［46］；但其檢測的靈敏度和有效性依賴于使用貴金屬納米粒子（金、銀等）作為襯底。納米纖維素來源廣泛、環境友好、具有較好的生物相容性和柔韌性，且具有較弱的SERS響應，在檢測過程中背景信號和干擾信號較低。近年來，納米纖維素為SRES基底的構建提供了新的思路，在食品安全傳感方面顯示出良好的潛力和前景。

如圖5（a）所示，Wu等［48］通過靜電吸附法將金納米花 （Au NFs） 和鍍銀金納米立方體 （Au@Ag NCs）自組裝在 CNC 薄膜上，制備具有高靈敏度的柔性SERS 基底，實現了農藥殘留無創檢測。Zhang 等［49］通過磁控濺射技術將銀納米粒子（Ag NPs）均勻沉積在BC膜表面，開發了柔性Ag NPs包覆BC，如圖5（b）所示。由于親水性BC比表面積大、滲透性和吸附性能優異，靶分子可以均勻分布在BC膜表面，可將其用于粘貼讀取法痕量檢測農藥殘留，如圖5（c）所示。因此，納米纖維素基SERS傳感器具有廣闊的應用前景，可用于食品領域中有毒物質的檢測。

2. 5 功能性食品成分

近年來，隨著生活水平的提高，消費者對功能性食品的需求越來越高。功能食品通過添加功能性成分，可以賦予食品保健或預防疾病的功能［50］。作為膳食纖維的重要來源，納米纖維素天然具備傳統膳食纖維的特點，如預防糖尿病、肥胖、心血管疾病等。膳食纖維作為最典型的功能性食品成分，在食品領域中最為常見。然而，如果膳食纖維添加量較大，會影響食品的質地和口感。因此，納米纖維素在食品領域中作為功能性食品成分也得到了廣泛的應用［51］。

納米纖維素可用于生產低熱量食品，以治療體重障礙。食品行業的研究人員正在生產功能性食品和功能性食品成分，以幫助人們滿足健康飲食建議，如食用熱量更少或總脂肪、飽和脂肪和膽固醇更少的食物等。劉曉雯［52］ 采用高壓均質聯合超聲輔助酶解法制備CNF，并將CNF添加到蛋黃醬中。當CNF添加量為3.32、4.19 g/100 g時，蛋黃醬熱量為393.16 Cal/100 g，僅為全脂蛋黃醬的64.68%；此外，納米纖維素含水量更高，可用于降低許多加工食品的熱量。張楊［53］使用2% BC的水解物代替甜甜圈中2%的面粉；結果顯示，油炸甜甜圈的含油量可由約28%顯著降低至15%。

3 結 語

納米纖維素作為一種具有廣泛應用潛力的天然高分子納米材料，已在食品領域展現出其獨特的應用價值。本文總結了納米纖維素的制備方法、性能，以及其在食品領域，特別是乳液穩定劑、食品添加劑、食品包裝和食品安全傳感、功能性食品成分等方面的應用。納米纖維素獨特的理化特性使其成為提高食品穩定性、質量和安全性的理想選擇。然而，目前仍有一些挑戰需要解決。

3. 1 納米纖維素作為穩定劑，制備的Pickering 乳液可以用于食品抑菌防腐、替代脂肪用于低脂食品、減緩油脂氧化及載送活性物質等。但納米纖維素及其穩定的乳液在復合食品體系中的穩定性仍是一個巨大的挑戰。在后續研究中，應集中于納米纖維素的改性，通過化學或物理改性方法，如接枝共聚、交聯或表面修飾等，來提高其在食品系統中的穩定性和乳化能力。

3. 2 納米纖維素作為食品添加劑，可以改善食品均勻性和食品穩定性。但對于納米纖維素的毒理學研究、功能化改性及作用機制解析等，仍存在廣闊的研究開發空間。同時還應優化納米纖維素的提取和制備工藝，降低其生產成本。

3. 3 納米纖維素還可以直接制備復合膜用于食品包裝，但以其作為原材料，制備兼具氣體阻隔、抗菌和拉伸性能等多功能型的包裝材料仍是巨大挑戰。此外，納米纖維素可以用作增強相提高包裝材料的氣體阻隔、抗菌、紫外屏蔽性能。未來需設計出綜合性更強的納米纖維素包裝材料，以擴大其實際運用。

3. 4 納米纖維素制備的表面增強拉曼散射基底具有一定優勢，可實現快速無損檢測污染物，但需要進一步探索如何提高對于多種污染物的同時收集和檢測的效果。

3. 5 納米纖維素與傳統的膳食纖維相似，可以預防糖尿病、肥胖、心血管疾病等。但將納米纖維素代替傳統膳食纖維加入到功能性食品中的研究還較匱乏，未來應深入研究納米纖維素的健康功效，如調節血糖、血脂、抗炎等，并開發其在功能性食品中的新應用。

參 考 文 獻

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